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Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erzeugung und Weiterverarbeitung nichtrostender Stähle, insbesondere chrom- und/oder chromnickelhaltiger Edelstähle, wobei ein Eisen/Chrom-haltiges und/oder ein Eisen/Nickel-haltiges Erz in einer Produktionsanlage konsekutiv reduziert, aufgeschmolzen, schmelzflüssig metallurgisch behandelt und abschließend vergossen wird, wobei die Produktionsanlage mindestens einen Reduktionsofen aufweist, in welchem das Eisen/Chrom-haltige und/oder das Eisen/Nickel-haltige Erz reduziert wird, einen Elektrolichtbogenofen aufweist, in welchem das reduzierte Erz aufgeschmolzen und als Ferrolegierungsschmelze metallurgisch behandelt wird, einen Konverter aufweist, in welchem die erzeugte Ferrolegierungsschmelze mittels mindestens eines Prozessgases metallurgisch behandelt wird, optional eine sekundärmetallurgische Einrichtung aufweist, in welcher die Ferrolegierungsschmelze einer weiteren metallurgischen Behandlung unterworfen werden kann, einen Pfannenofen aufweist, in welchem die erzeugte Ferrolegierungsschmelze einer abschließenden metallurgischen Feinbehandlung unterworfen wird, und eine Stranggießanlage umfasst, in welche die Ferrolegierungsschmelze vergossen wird.
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Weiterhin richtet sich die Erfindung auf eine Produktionsanlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
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Die bisher weltweit etablierten Prozesslinien für die Erzeugung von rostfreiem Stahl bestehen vielfach aus einer Kombination eines Elektrolichtbogenofens und/oder eines Hochofens mit einer verfahrenstechnisch nachgeschalteten metallurgischen Behandlungsanlage oder -vorrichtung für eine metallurgische Behandlung einer erzeugten Schmelze. Hierbei werden das sogenannte Duplex-Verfahren, bei dem die metallurgische Behandlungsanlage einen Konverter oder eine Vakuumbehandlungsanlage umfasst, sowie das sogenannten Triplex-Verfahren, bei welchem die metallurgische Behandlungsanlage einen Konverter und eine Vakuumanlage zur der Konverterbehandlung nachfolgenden sekundärmetallurgischen Behandlung einer Schmelze umfasst, unterschieden. So sind Duplex-Verfahren bekannt, die zur Erzeugung rostfreien Stahls in konsekutiven Prozessschritten einen Elektrolichtbogenofen (EAF = Electric Arc Furnace) und nachfolgend einen AOD Konverter (AOD = Argon Oxygen Decarburization) oder MRP Konverter (MRP = Metal Refining Process) oder alternativ eine VOD Vakuumbehandlungsanlage (VOD = Vacuum Oxygen Decarburization) umfassen. Ebenso sind solche Duplex-Verfahren bekannt, bei denen auf der Primärseite die Schmelze mittels eines Hochofens (BF = Blast Furnace) mit einer nachfolgenden Entphosphorungs-, Entsilizierungs- und Entschwefelungs-Behandlung (DDD = Dephosporization, Desiliconization, Desulfurization) hergestellt wird und danach metallurgisch in einem Konverter oder einer Vakuumbehandlungsanlage metallurgisch weiter behandelt wird. Die Triplex-Verfahren unterscheiden sich von den Duplex-Verfahren prinzipiell dadurch, dass die metallurgische Behandlung sowohl einen Konverter als auch eine Vakuumbehandlungsanlage umfasst.
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Ein Duplex-Verfahren ist aus der
WO 03/106716 A1 bekannt. Dieses Dokument offenbart ein Verfahren und eine Produktionsanlage, bei welcher verschiedene Einsatzstoffe einer Elektrolichtbogen-Konverter-Anlage zugeführt, dort aufgeschmolzen und metallurgisch behandelt, die Schmelze nachfolgend einer Vakuumbehandlungsanlage zugeführt, dann in einem Pfannenofen metallurgisch endbehandelt und/oder temperiert und dann einer Stranggießanlage zugeführt wird. Bei diesem sogenannten CONARC
®-Verfahren (geschützte Marke der Anmelderin) kann der Elektrolichtbogen-Konverter-Anlage aus einem Hochofen stammendes flüssiges Roheisen als Einsatzmaterial zugeführt werden. Aber auch legierter Schrott, Ferrochrom, Ferronickel, Eisenschwamm oder Roheisenmasseln können dieser Elektrolichtbogen-Konverter-Anlage im Rahmen des dort stattfindenden Aufschmelz- und Behandlungsprozesses zugeführt werden.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung sind aus dem Aufsatz „Tailored solutions for the production of quality steel", von Lemke, St. et al. in MPT International 4/2001, Seite 72–87 bekannt. Im Zusammenhang mit den 7, 8 und 15 sind dort Diplex- und Triplex-Verfahren zur Erzeugung und Weiterverarbeitung nichtrostender Stähle beschrieben. Auf der Primärseite wird Schrott oder flüssiges Roheisen, das aus einem Hochofen stammt, einem Elektrolichtbogenofen zugeführt, dort aufgeschmolzen und/oder metallurgisch behandelt, dann in einem Konverter metallurgisch weiterbehandelt und abschließend in einer Stranggießanlage vergossen. Optional kann dem Konverter verfahrenstechnisch eine sekundärmetallurgische Einrichtung, beispielsweise eine VOD-Anlage, nachgeschaltet sein. Auch ist es möglich, dem Konverter einen Pfannenofen verfahrenstechnisch nachzuschalten.
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Der Elektrolichtbogenofen-Einsatz sowie der Einsatz der Elektrolichtbogen-Konverter-Anlage gestalten sich unterschiedlich je nach Schrottverfügbarkeit bzw. Schrott- und Roheisenverfügbarkeit. Schwerpunkt der Entwicklung derartiger Verfahren bildet derzeit einerseits die Schaffung der Möglichkeit einer flexiblen Nutzung von Roheisen und Ferrolegierungsschmelzen sowie die Verwendung von verminderten Mengen an niedrig- oder hochlegiertem Schrott kombiniert mit Legierungszusätzen wie Ferronickel oder Ferrochrom. Den höchsten Anteil unter den bei der Edelstahl- oder Rostfrei-Stahl-Herstellung benötigten Legierungselementen bilden dabei Chrom und Nickel. Hierbei stellt das nickelhaltige Material den teuersten Bestandteil der legierten Schmelze dar. Aufgrund limitierter Ressourcen des Nickels einerseits und einer steigender Nachfrage und steigendem Bedarf andererseits führt dies zu hohen Nickelpreisen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die eine variable anpassungsfähige und kostengünstige Herstellung von rostfreien Stählen ermöglicht.
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Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Reduktionsofen als Drehrohrofen ausgebildet ist und das Eisen/Chrom-haltige und/oder das Eisen/Nickel-haltige Erz darin unter Zugabe von Kohle und/oder Koks sowie Schlackenbildnern reduziert, als Zwischenprodukt in fester Form mit einer Temperatur zwischen 700 und 900 °C ausgetragen sowie anschließend dem Elektrolichtbogenofen zugeführt und darin aufgeschmolzen wird.
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Zweckmäßige Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ebenso wird die vorstehende Aufgabe bei einer Produktionsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gelöst, dass sie mindestens einen Reduktionsofen aufweist, in welchem Eisen/Chrom-haltiges und/oder Eisen/Nickel-haltiges Erz reduziert wird, einen Elektrolichtbogenofen aufweist, in welchem das reduzierte Erz aufgeschmolzen und als Ferrolegierungsschmelze metallurgisch behandelt wird, einen Konverter aufweist, in welchem die erzeugte Ferrolegierungsschmelze mittels mindestens eines Prozessgases metallurgisch behandelt wird, optional eine sekundärmetallurgische Einrichtung aufweist, in welcher die Ferrolegierungsschmelze einer weiteren metallurgischen Behandlung unterworfen werden kann, einen Pfannenofen aufweist, in welchem die erzeugte Ferrolegierungsschmelze einer abschließenden metallurgischen Feinbehandlung unterworfen wird, und eine Stranggießanlage umfasst, in welche die Ferrolegierungsschmelze vergossen wird, wobei der mindestens eine Reduktionsofen als Drehrohrofen ausgebildet und derart ausgelegt ist, dass das Eisen/Chrom-haltige und/oder das Eisen/Nickel-haltige Erz darin unter Zugabe von Kohle und/oder Koks sowie Schlackenbildnern reduzierbar und als Zwischenprodukt in fester Form mit einer Temperatur zwischen 700 und 900 °C aus dem mindestens einen Drehrohrofen austragbar ist.
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Die weitergehende Flexibilisierung und Schaffung eines kostengünstigen Herstellverfahrens wird durch die Kombination mindestens eines Drehrohrofens als Reduktionsanlage mit einer nachfolgenden, d.h. verfahrenstechnisch nachgeschalteten Aufschmelz- und Behandlungsanlage, die einen Elektrolichtbogenofen, einen Konverter (Duplex-Verfahren) oder einen Konverter in Kombination mit einer Vakuumbehandlungsanlage (Triplex-Verfahren), einen Pfannenofen und eine Stranggießanlage umfasst, gelöst. Dies ermöglicht die direkte Nutzung von chromhaltigen und nickelhaltigen Erzen oder Ferrochrom- oder Ferronickel-Materialien sowie die unmittelbare und direkte Nutzung von Metalloxiden, insbesondere von Nickel- und Chromoxiden.
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Beim Duplex-Verfahren besteht die Produktionsanlage erfindungsgemäß somit aus den Bestandteilen Drehrohrofen mit verfahrenstechnisch zugeordnetem und nachgeschaltetem Elektrolichtbogenofen für die Reduktion und das Aufschmelzung von Fe/Ni/Cr-Erzen, wobei kostengünstige Eisen-, Chrom- und Nickelerze das Einsatzmaterial bilden. Weiterhin ist ein nachgeschalteter, die erzeugte Schmelze weiterverarbeitender und metallurgisch behandelnder Konverter, z.B. ein AOD-, ein AOD-L- (L=Lanze), ein MRP-, ein MRP-L- (L=Lanze) Konverter Bestandteil der Produktionsanlage. Diesem nachfolgend ist ein Pfannenofen zur, insbesondere abschließenden, metallurgischen Feinbehandlung Bestandteil der Produktionsanlage, bevor dann die in dem Pfannenofen erzeugte Schmelze in der Stranggießanlage vergossen wird. Bei der Stranggießanlage handelt es sich um eine kontinuierliche Stranggießanlage (CCM=Continuous Casting Machine), vorzugsweise eine sogenannte CSP-(Compact Strip Process)Stranggießanlage. Beim Triplex-Verfahren ist zwischen dem Konverter und dem Pfannenofen in der Prozesslinie noch eine sekundärmettallurgische Einrichtung, insbesondere eine Vakuumbehandlungsanlage, vorzugsweises eine VOD-Vakuumbehandlungsanlage, als Bestandteil der Produktionsanlage angeordnet.
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Da in dem mindestens einen Drehrohrofen ein Kalzinations- und Reduktionsprozess des darin eingesetzten oder dahinein chargierten Eisen-Chrom-haltigen sowie des Eisen-Nickel-haltigen Erzes erfolgt, werden die Verfahrensbedingungen in dem oder den Drehrohrofen/Drehrohröfen derart eingestellt, dass in dem mindestens einen Drehrohrofen ein Zwischenprodukt mit einem Nickelgehalt von 1,5–2 Gew.-% Ni und einem Chromgehalt von 4–6 Gew.-% Cr erzeugt wird, was die Erfindung in Weiterbildung vorsieht.
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In dem der Elektrolichtbogenofen verfahrenstechnisch nachgeschalteten Konverter, in den die in dem Elektrolichtbogenofen erzeugte Schmelze überführt wird, kann dann der weitere Schmelzgewichtaufbau erfolgen. Hierzu werden dem Konverter weitere eisen- und/oder legierungselementhaltige Erze oder Materialien zugegeben. Es kann legierter oder unlegierter Schrott oder Ferrochrom oder Ferronickel zugegeben werden. Insbesondere werden dem Konverter aber Metalloxide, und hier insbesondere Nickeloxide und Chromoxide, zugeführt, die in dem Konverter durch dort entstehendes oder diesem zugeführtes Kohlenmonoxid reduziert werden. Die Erfindung zeichnet sich in Weiterbildung dadurch aus, dass das Zwischenprodukt in dem Elektrolichtbogenofen unter Zugabe von direktreduziertem Eisen, insbesondere Eisenschwamm, niedriglegiertem und/oder hochlegiertem Schrott aus rostfreiem Stahl, insbesondere Edelstahl, Legierungselementen und/oder Nickeloxid (NiO) aufgeschmolzen und in der dabei entstehenden Ferrolegierungsschmelze und/oder Schlacke vorhandenes Nickeloxid (NiO) und/oder Chromoxid (CrO) mittels Kohlenstoff und/oder Kohlenmonoxid reduziert wird.
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Da das in dem oder den Drehrohrofen/Drehrohröfen erzeugte Zwischenprodukt phosphor- und schwefelhaltig ist, ist gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in dem Konverter eine Entschwefelung der Ferrolegierungsschmelze auf einen Schwefelgehalt von kleiner gleich 0,03 Gew.-% S und/oder in dem Elektrolichtbogenofen eine Entphosphorung auf einen Phosphorgehalt von kleiner gleich 0,03 Gew.-% P durchgeführt wird.
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Die in dem Elektrolichtbogenofen erzeugte Schmelze ist vorzugsweise eine Ferrolegierungsschmelze mit einem Chromgehalt von 4–6 Gew.-% Cr und/oder einem Nickelgehalt von 20–25 Gew.-% Ni und einer Abstichtemperatur von 1.500–1.550 °C. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher in Weiterbildung dadurch aus, dass die metallurgisch behandelte Ferrolegierungsschmelze aus dem Elektrolichtbogenofen mit einer Abstichtemperatur zwischen 1.500 und 1.550 °C abgestochen wird.
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Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Produktionsanlage dadurch aus, dass sie zwei als Drehrohrofen ausgebildete Reduktionsöfen umfasst, die derart ausgelegt sind, dass das Eisen/Chrom-haltige und/oder das Eisen/Nickel-haltige Erz darin unter Zugabe von Kohle und/oder Koks sowie Schlackenbildnern reduzierbar und als Zwischenprodukt in fester Form mit einer Temperatur zwischen 700 und 900 °C aus diesen austragbar ist. Die übliche Reduktionskapazität von zwei Drehrohröfen passt gut zur üblichen Schmelzkapazität eines Elektrolichtbogenofens.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
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Diese zeigt in
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Produktionsanlage für die Durchführung eines Duplex-Verfahrens und in
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2 schematisch eine erfindungsgemäße Produktionsanlage für die Durchführung eines Triplex-Verfahrens.
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Beide Produktionsanlagen umfassen zwei Drehrohröfen 1, 1a, die jeweils einen Reduktionsofen ausbilden. In den Drehrohröfen findet jeweils ein Kalzinations- und Reduktionsprozess der in einen jeweiligen Drehrohrofen 1, 1a chargierten Ausgangsmaterialien statt. Ausgangsmaterialien sind bei der Herstellung von Edelstahl oder rostfreiem Stahl (hier in der Anmeldung auch als Rostfrei-Stahl bezeichnet) Eisen-Chrom-haltige und/oder Eisen-Nickel-haltige Erze. Ebenso werden in die Drehrohröfen 1, 1a jeweils Schlackenbildner und Kohle und/oder Koks als Reduktionsmaterial eingegeben bzw. chargiert.
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In den in der Form von erfindungsgemäßen Produktionsanlagen in den 1 und 2 dargestellten Prozesslinien folgt auf die jeweiligen Drehrohröfen 1, 1a oder Reduktionsöfen ein Elektrolichtbogenofen 2. In dem Elektrolichtbogenofen 2 wird das in Form eines festen, partikelförmigen Produktes in den Drehrohröfen 1, 1a erzeugte und aus den Drehrohröfen 1, 1a ausgetragenen Zwischenprodukt aufgeschmolzen. Das jeweils mit einer Temperatur von ca. 800 °C aus einem der Drehrohröfen 1, 1a ausgetragene Zwischenprodukt weist einen Anteil von 1,5–2 Gew.-% Nickel (Ni) und/oder 4–6 Gew.-% Chrom (Cr) auf. In die Drehrohröfen wird das Zwischenprodukt auf übliche Art und Weise aufgeschmolzen. Das in dem Elektrolichtbogenofen 2 entstehende Abgas wird vorzugsweise in einen oder beide Drehrohröfen eingeleitet, wo sein Reduktionspotential für die Reduktion der eingesetzten Eisen-Chrom-haltigen und/oder Eisen-Nickel-haltigen Erze genutzt werden kann. Es ist aber auch möglich, das in dem Elektrolichtbogenofen 2 entstehende Abgas jeweils austragsseitig in den Drehrohröfen 1, 1a angeordneten Sauerstoffbrennern zuzuführen. In den Elektrolichtbogenofen 2 werden zudem niedriglegierter und/oder Schrott aus rostfreiem Stahl und/oder direkt reduziertes Eisen, insbesondere Eisenschwamm und/oder gewünschte Legierungsmittel und/oder Nickeloxid (NiO) zugegeben und zusammen mit dem aus dem oder den Drehrohrofen/Drehrohröfen 1, 1a stammenden Zwischenprodukt aufgeschmolzen. Gleichzeitig findet in dem Elektrolichtbogenofen 2 mittels des in der Schmelze vorhandenen Kohlenstoffes (C) und/oder mittels beim Schmelzen entstehenden und/oder zugeführten Kohlenmonoxids (CO) eine Reduktion des mit dem Zwischenprodukt oder dem Schrott oder dem Legierungsmittel eingetragenen Nickeloxids (NiO) sowie des Chromoxids (CrO) statt. Ebenso werden die im Zwischenprodukt vorhandenen hohen Gehalte an Phosphor, die bei 0,1–0,15 Gew.-% P liegen, während des Schmelzvorganges im Elektrolichtbogenofen 2 auf die gewünscht niedrigen Werte, die in der Regel unterhalb von 0,03 Gew.-% liegen, herabgesetzt. Die Ofenabstichtemperatur des Elektrolichtbogenofens liegt zwischen 1.500 und 1.550 °C.
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Für die weitere metallurgische Bearbeitung der in dem Elektrolichtbogenofen 2 erzeugten Ferrolegierungsschmelze umfasst die Produktionsanlage einen dem Elektrolichtbogenofen 2 verfahrenstechnisch nachgeschalteten Konverter 3. Hierbei kann es sich um einen AOD-, einen AOD-L, einen MRP- oder einen MRP-L-Konverter handeln. In diesen Konverter 3 wird die im Elektrolichtbogenofen 2 erzeugte Ferrolegierungsschmelze nach dem Abschlacken des Elektrolichtbogenofens 2 und ihrem Eingießen in eine Pfanne chargiert. In dem Konverter 3 findet dann ein weiterer Schmelzgewichtaufbau statt, bis die Ferrolegierungsschmelze das gewünschte Volumen und Gewicht erreicht hat. Dies wird erreicht durch die Reduktion von Metalloxiden und hier vor allem durch die Reduktion von Nickeloxiden und Chromoxiden, insbesondere mittels Kohlenmonoxid, und das Schmelzen/Aufschmelzen von der Schmelze zugegebenen, Ferrolegierungselemente enthaltenden Materialien wie legiertem Schrott oder Ferrochrom oder Ferronickel, bis die für die jeweils zu produzierende Stahlsorte gewünschte chemische Zusammensetzung der Schmelze in dem Konverter 3 erreicht oder zumindest im Wesentlichen erreicht ist. Der in dem Konverter 3 ablaufende Prozess endet dann mit einer Schlackenreduktion kombiniert mit einer Entschwefelung und einer Feineinstellung der chemischen Zusammensetzung. Die Abstichtemperatur der Schmelze aus dem Konverter 3 beträgt 1.680 bis 1.700 °C. Auch dem Konverter 3 können gewünschte Legierungsbestandteile in fester Form, insbesondere Nickeloxid, zugeführt werden.
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Auf den Konverter 3 folgt dann beim Duplex-Verfahren unmittelbar ein Pfannenofen 4 (LF = Ladel Furnace) zur metallurgischen Feinbehandlung der bis dahin erzeugten Ferrolegierungsschmelze. Nach der Feinbehandlung im Pfannenofen 4 wird die dann vorliegende Schmelze in einer Stranggießanlage 5, bei der es sich um eine kontinuierliche Stranggießanlage (CCM = Continuous Casting Machine) oder eine CSP(Compact Strip Process)-Anlage handeln kann, vergossen.
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Die Produktionsanlage für das Triplex-Verfahren nach der 2 unterscheidet sich von der nach der 1 lediglich darin, dass zwischen dem Konverter 3 und dem Pfannenofen 4 noch eine sekundärmetallurgische Einrichtung 6 in Form einer Vakuumentgasungsanlage, hier eine VOD(Vaccum Oxygen Decarburization)-Anlage, für eine sekundärmetallurgische Behandlung der im Konverter 3 erzeugten Schmelze zwischengeschaltet ist. Die in der sekundärmetallurgischen Einrichtung 6 erzeugte Schmelze wird dann dem Pfannenofen 4 zugeführt.
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Bei dem Duplex-Verfahren gemäß 1 wird die im Konverter 3 erzeugte Ferrolegierungsschmelze also zur Verfeinerung der chemischen Analyse und der Temperatur unmittelbar dem Pfannenofen 4 zugeführt und hier die abschließende metallurgische Feinbehandlung der Schmelze durchgeführt, bevor diese dann vom Pfannenofen 4 zur Stranggießanlage 5 transportiert und dort vergossen wird.
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Beim Triplex-Verfahren nach der 2 ist zwischen der metallurgischen Behandlung im Konverter 3 und der metallurgischen Feinbehandlung im Pfannenofen 4 noch eine sekundärmetallurgische Vakuumbehandlung in der sekundärmetallurgischen Einrichtung 6 der Schmelze vorgesehen, die es insbesondere erlaubt, niedrige Kohlenstoffgehalte in der Schmelze einzustellen.
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Sowohl beim Duplex-Verfahren als auch beim Triplex-Verfahren weist der Konverter 3 folgende metallurgische Funktionen auf: Entsilizierung, Entkohlung, Entschwefelung, Schmelzen von FeCr-haltigem Erz oder Material, Schmelzen von FeNi-haltigem Erz oder Material, die Reduktion von Nickeloxid (NiO) und Chromoxid (CrO) sowie der Einstellung der gewünschten chemischen Analyse und der gewünschten Abstichtemperatur.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Produktionsanlage zeichnen sich dadurch aus, dass mit diesen eine deutliche Reduktion der Stahlherstellungskosten möglich ist, da chromhaltige sowie nickelhaltige Erze oder Materialien unmittelbar ohne vorhergehende Aufbereitung und insbesondere auch Metalloxide, speziell Nickeloxid und Chromoxid, unmittelbar genutzt und eingesetzt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Tailored solutions for the production of quality steel“, von Lemke, St. et al. in MPT International 4/2001, Seite 72–87 [0005]
